采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明：湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重；湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等；降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性；与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.

以经过圆形孔径截断的 Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。 Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r₀的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型, 结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱, 推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式, 对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响, 并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明: 衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大, 当它们的取值增大时, 漂移越严重; 内尺度对光束漂移几乎没有影响; 在相同的条件下, 艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级, 且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.

根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型，推导得到无线光通信系统中相互独立的部分相干高斯谢尔模型(GSM)阵列光束在大气湍流中传输时的光强分布、均方根束宽和桶中功率解析式，并对不同因素影响下的自耦合特性、光束扩展和桶中功率进行了数值分析。结果表明，部分相干GSM阵列光束在大气传输过程中，当到达某一距离时多束光能合成一个平顶光束，再演变为高斯光束，且阵列光束在大气湍流中的自耦合特性比在自由空间中好；湍流外尺度对光强分布、光束扩展影响很小，可以忽略；部分相干GSM阵列光束与部分相干单GSM光束相比，具有更强的抑制湍流特性，有利于实现远距离通信。

光束漂移和光斑扩展是激光在大气湍流中传输时的两个重要效应。利用CCD成像技术在烟台地区近海面、沙滩和公路三种下垫面环境进行了准直高斯光束传输实验，测量了光束漂移、光斑扩展和大气折射率结构常数等实验数据，在此基础上分析了不同下垫面环境下光束漂移和光斑扩展特性。结果表明：当大气折射率结构常数变化较小时，近海环境下光斑扩展和光束漂移的起伏幅度是三种下垫面环境中最大的，分别为0~1.5 cm和0~0.6 cm。沙滩环境下光斑扩展的实际测量值与理论预测值的相对误差最小，均在10%之内。公路环境下大气折射率结构常数较近海环境和沙滩环境高一个数量级，光束漂移和光斑扩展的变化趋势均与大气折射率结构常数的变化趋势一致。

利用大气光束动态测试仪对近海面的光斑扩展进行实验测量，将海洋环境大气折射率起伏功率谱与传统Kolmogorov大气折射率起伏功率谱下的光斑扩展模型进行对比分析。结果表明，实测光斑扩展起伏幅度比海洋谱和Kolmogorov谱的光斑扩展起伏幅度大，而海洋谱下的光斑扩展理论计算值在使用了实测的内尺度数据后起伏幅度很小；随着大气折射率结构常数的增加，大气海洋谱光斑扩展模型较Kolmogorov谱光斑扩展模型更接近实测值；当链路距离为1 km时，海洋谱光斑扩展的理论计算值与实测值的差值为0.1~1.5 cm，当链路距离为2 km时，差值为0.1~1.8 km，相对误差均在0.1%~11.4%之间。

利用数值模拟方法，采用桶中功率为86.5%定义的环围功率束宽作为光束扩展的评价参数，研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的光束扩展。研究结果表明，自由空间中遮拦比越大，远场光强旁瓣越明显。大气湍流造成光强旁瓣消失，且远场光强分布并不是高斯分布。光束扩展随着遮拦比和天顶角的增大而增大，大气湍流对光束扩展的影响也随天顶角的增大而增大。当遮拦比较大或较小时，湍流对光束扩展影响随遮拦比的增大而减小；当遮拦比中等大小时，湍流对光束扩展的影响几乎不随遮拦比而变化。与已有研究结果比较发现，按照桶中功率不同百分比定义的环状光束环围功率束宽受大气湍流影响规律是不同的，研究结果对实际应用具有意义。

激光通过大气湍流传输，光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定，而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题，把光束扩展按传输距离划分为三个区间，造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是：空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G 光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响，以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系，并对主要结果给出了合理的物理解释。

为了有效地提高星地激光通信系统的通信性能，从推广的惠更斯-菲涅耳衍射原理出发，系统研究了矢量多高斯-谢尔模型光束在上行链路中的传输特性。研究结果表明，改变光束的横向相干长度能有效地改变其远场光强分布和大气湍流引起的光束展宽。另外，大气湍流会改变矢量多高斯光束的偏振度，但是在远场其偏振度会趋于一个固定值。该研究结果对星地激光通信等有着潜在的应用价值。